Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Elektrische Heizgeräte, insbesondere Luftheizgeräte (insbesondere solche, die in mobilen Anwendungen eingesetzt werden) basieren oftmals auf keramischen Heiz-Elementen mit einem vergleichsweise stark temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, durch den eine Selbstregelung der Wärmeabgabe ermöglicht wird . Bei diesen Widerständen handelt es sich üblicherweise um keramische PTC-Elemente (PTC für Positive Temperature Coefficient). Diese sind in der Regel mit Wärmeübertrager-Flächen aus Aluminiumblech verbunden und werden darüber auch elektrisch kontaktiert. Ein PTC-Element umfasst einen PTC- Widerstand, also einen temperaturabhängigen Widerstand mit einen positiven Temperaturkoeffizienten, der bei tiefen Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen.

Nachteile von herkömmlichen Heizgeräten, insbesondere Luftheizgeräten mit Keramik-PTC-Elementen sind u.a . eine aufwändige Herstellung durch eine vergleichsweise komplizierte Wärmeübertrager-Fertigung und der Einbau der Keramik-Elemente, eine üblicherweise notwendige Sortierung der Keramik- Elemente aufgrund von Fertigungstoleranzen, eine vergleichsweise ungünstige Leistungsdichte in einem Heizelement-Wärmeübertrager-Verbund durch eine lokale Wärmeerzeugung, eine vergleichsweise starke Einschränkung einer maximalen Heizleistung durch eine Dicke des PTC-Materials (aufgrund einer begrenzten Wärmeabfuhr aus der Keramik) sowie eine vergleichsweise hohe Kurzschlussgefahr, insbesondere aufgrund eines geringen geometrischen

Abstands von Bauteilen mit einem hohen Spannungspotential.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Heizgerätes, insbesondere Luft- oder Flüssigkeitsheizgerätes vorzuschlagen, wobei eine effektive Aufheizung der Fluid ermöglicht wird . Weiterhin soll ein entsprechendes Luftheizgerät vorgeschlagen werden. Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes, vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst, wobei mindestens eine leitfähige Polymerstruktur, wobei die Polymerstruktur eine Polymerkomponente und eine leitfähige Komponente, insbesondere

Kohlenstoffkomponente enthält, durch Urformen hergestellt wird, wobei

Fluidkanäle (Öffnungen) zum Durchleiten des zu heizenden Fluids während der urformenden Fertigung in die Polymerstruktur eingebracht werden.

Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, eine (leitfähige) Polymerstruktur zum Aufheizen von Fluid (insbesondere Wasser, vorzugsweise Kühlwasser oder Luft, vorzugsweise Heizluft für einen Innenraum, insbesondere eines Fahrzeuges) in einem Heizgerät, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerät herzustellen, wobei integrierte Öffnungen zum Durchleiten des Fluids (Fluidkanäle) während eines Urformens hergestellt bzw. eingebracht werden. Dadurch kann auf einfache und effiziente Art und Weise ein Heizgerät, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerät realisiert werden, das einen effizienten Betrieb erlaubt.

Vorzugsweise weist die Polymerstruktur eine Vielzahl von Fluidkanälen, z. B. mehr als 10 Fluidkanälen, auf.

Vorzugsweise ist die Polymerstruktur als eine einstückige, insbesondere

monolithische, Struktur ausgebildet.

Es können vorzugsweise genau eine oder alternativ mehrere Polymerstrukturen vorgesehen sein.

Das Urformen kann ein Gießen, insbesondere Spritzgießen und/oder Druckgießen, ein Pressen, insbesondere Extrudieren und/oder Pressformen, und/oder ein (Auf-) Schäumen umfassen.

Grundsätzlich ist unter Urformen ein Fertigungsverfahren zu verstehen, bei dem aus einem formlosen bzw. verformbaren (z. B. flüssigen, pastösen, breiigen oder plastisch verformbaren) Stoff ein (fester) Körper hergestellt wird (der

insbesondere eine geometrisch definierte Form hat).

Eine Erstreckung der Polymerstruktur (in Strömungsrichtung) beträgt

vorzugsweise mindestens 5 mm, weiter vorzugsweise mindestens 10 mm.

Die Polymerstruktur ist vorzugsweise an sich formstabil, behält also auch ihre Form, wenn weitere Komponenten des Heizgerätes entfernt werden (bzw. noch nicht hinzugefügt worden sind bzw. bei integrierten weiteren Komponenten, wenn diese nicht vorgesehen wären, was durch Herstellung eines entsprechenden Vergleichsobjektes ohne die weiteren Komponenten festgestellt werden kann). Eine formstabile Ausführung schließt insbesondere nicht aus, dass die

Polymerstruktur bei Einwirken äußerer Kräfte elastisch und/oder plastisch verformbar ist.

Ein Werkzeug zum Durchführen des Urformens (z. B. Spritzwerkzeug) weist vorzugsweise entsprechend mit den Fluidkanälen korrespondierende

Fertigungsstrukturen (z. B. entsprechende Vorsprünge) auf.

Während des Urformens kann mindestens ein elektrisches Anschlusselement, wie vorzugsweise ein Metalldraht, Metallgitter, Metallblech und/oder Metallblech- Streifen, mit der Polymerstruktur verbunden werden, vorzugsweise in die

Polymerstruktur eingebettet werden. Unter einer Verbindung ist insbesondere eine stoffschlüssige (feste) Verbindung zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich ist eine formschlüssige Verbindung (z. B. durch entsprechende Vorsprünge oder Ausnehmungen, die an dem Anschlusselement vorgesehen sind) vorgesehen. Unter einem Einbetten in die Polymerstruktur ist insbesondere zu verstehen, dass das mindestens eine elektrische Anschlusselement von mehr als nur einer Seite in Kontakt mit der Polymerstruktur ist bzw. dass mindestens 50 % des elektrischen Anschlusselementes von der Polymerstruktur bedeckt sind.

Vorzugsweise wird mindestens ein (das mindestens eine) elektrische(s)

Anschlusselement vor dem Urformen, insbesondere Spritzgießen, in einem

Formwerkzeug, insbesondere Spritzgusswerkzeug, angeordnet (bzw. in ein solches eingelegt). Insbesondere können bereits vor dem Urformen (z. B.

Spritzgießen) in das Formwerkzeug (Spritzgießwerkzeug) Anschlussleitungen aus Metallblech-Streifen und/oder Drähte und/oder Litzen und/oder eine Gewebe und/oder dergleichen eingelegt werden.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein elektrisches Heizgerät, vorzugsweise Flüssigkeits- oder Luftheizgerät, insbesondere für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise hergestellt nach dem obigen Verfahren, umfassend mindestens eine leitfähige

Polymerstruktur, wobei die Polymerstruktur eine (ggf. nicht-leitfähige)

Polymerkomponente und eine leitfähige (Füll-)Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente, enthält, wobei die Polymerstruktur Fluidkanäle

(Öffnungen) zum Durchleiten der zu heizenden Fluid aufweist, wobei die Fluidkanäle durch Urformen während der Fertigung der Polymerstruktur eingebracht sind (was im fertigen Produkt insbesondere mittels einer

Untersuchung der Oberfläche von Fluidkanal-Wänden feststellbar ist).

Das elektrische Fluidheizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät weist vorzugsweise mindestens ein elektrisches Anschlusselement, wie vorzugsweise einen Metalldraht, Metallgitter, Metallblech und/oder Metallblech- Streifen, auf.

Die Polymerstruktur weist vorzugsweise eine Gitter-, Waben- oder Netzstruktur auf.

Querschnitte der Fluidkanäle in der Polymerstruktur können mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, weiter vorzugsweise mindestens 20 % eines Gesamt-Querschnittes der Polymerstruktur betragen. Weiterhin können

Querschnitte der Fluidkanäle in der Polymerstruktur höchstens 80 % eines Gesamt-Querschnittes der Polymerstruktur betragen.

Die leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente kann in Partikelform und/oder als Kohlenstoffgerüst vorliegen.

Die leitfähige Komponente, insbesondere Kohlenstoffkomponente kann so ausgebildet bzw. angeordnet sein, dass sie einen Stromfluss erlaubt, z. B. in Partikelform (wobei sich die Partikel entsprechend berühren oder nahe beieinanderliegen) und/oder als (Kohlenstoff-)Gerüst. Die leitfähige Komponente kann Metallpartikel und/oder -fasern umfassen. Die Kohlenstoffkomponente kann in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlen Stoff fasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder Fullerenen vorliegen.

Die Polymerstruktur kann eine elektrisch isolierende Polymerkomponente aufweisen.

Vorzugsweise umfasst die Polymerstruktur mindestens 6, weiter vorzugsweise mindestens 10, noch weiter vorzugsweise mindestens 40 Fluidkanäle.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum

Betreiben eines Fluidheizgerätes, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem Verfahren der oben beschriebenen Art, wobei Fluid durch die Fluidkanäle strömt und dabei aufgeheizt wird.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Fluidheizgerätes, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerätes der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren zum Aufheizen von Luft, insbesondere in einem Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, weiter vorzugsweise für einen Kraftfahrzeuginnenraum.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Fahrzeug umfassend ein Fluidheizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät der oben beschriebenen Art oder hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren.

Die Polymerstruktur ist vorzugsweise eine leitfähige Struktur mit PTC-Verhalten.

Querschnitte mindestens eines oder mehrere oder aller Fluidkanäle können vieleckig, insbesondere viereckig, vorzugsweise rechteckig (weiter vorzugsweise quadratisch) oder oval, insbesondere elliptisch, vorzugsweise (kreis-)rund sein. Ein Querschnitt innerhalb eines Fluidkanals kann variieren oder konstant sein (über dessen Länge). Auch Querschnitte verschiedener Fluidkanäle können voneinander abweichen oder gleich sein. Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung, Feuchtigkeit und/oder

Kurzschlüssen kann eine Schutzschicht (Lackierung bzw. Versiegelung) auf dem gesamten Heizgerät oder zumindest freiliegenden Bereichen der Polymerstruktur vorgesehen sein.

Der Begriff„leitfähig" hinsichtlich der Polymerstruktur (bzw.

Kunststoffkomponente) soll als Abkürzung für„elektrisch leitfähig" verstanden werden.

Die Polymerstruktur kann als Polymerplatte (mit entsprechenden Öffnungen bzw. Fluidkanälen) ausgebildet sein.

Polymerkomponente und leitfähige (Kohlenstoff-)komponente sind vorzugsweise miteinander vermengt bzw. ineinander verflochten. Beispielsweise kann die Polymerkomponente ein (skelettartiges) Gerüst ausbilden, in dem die leitfähige Komponente aufgenommen ist oder umgekehrt.

Vorzugsweise besteht die Polymerstruktur zu mindestens

5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 20 Gew.-% und/oder weniger als 50 % aus Kohlenstoff (ggf. ohne Berücksichtigung eines Kohlenstoffanteils des Polymers als solchen) bzw. aus der

Kohlenstoffkomponente, wie z. B. den Kohlenstoffpartikeln.

Vorzugsweise besteht die Kohlenstoffkomponente zu mindestens 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% aus Kohlenstoff.

Die Polymerkomponente ist insbesondere in Form einer elektrisch isolierenden Polymerkomponente ausgebildet.

In Ausführungsformen kann die Polymerkomponente eine erste Polymer- Teilkomponente auf Basis von Ethylenacetat (-Copolymer) und/oder

Ethylenacrylat (-Copolymer) aufweisen und/oder eine zweite Polymer- Teilkomponente auf Basis von Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, und/oder Polyester und/oder Polyamid und/oder Fluorpolymer umfassen. Der Begriff„Teilkomponente" soll hier insbesondere zur Unterscheidung zwischen erster und zweiter Polymer-Teilkomponente verwendet werden. Die jeweilige Teilkomponente kann entweder teilweise oder auch vollständig die Polymerkomponente ausbilden. Bei dem Ethylenacrylat kann es sich um Ethyl-Methyl-Acrylat oder Ethylen-Ethyl-Acrylat handeln. Bei dem

Ethylenacetat kann es sich um Ethylenvinylacetat handeln. Bei dem Polyethylen kann es sich um HD (High Density)-Polyethylen, MD (Medium Density)- Polyethylen, LD (Low Density)-Polyethylen, handeln. Bei dem Fluorpolymer kann es sich um PFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorpropyl-Vinylester) MFA (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylester), FEP (Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen), ETFE (Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen) oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid) handeln.

In Ausführungsformen kann die erste Polymer-Teilkomponente, wie in

WO 2014/188190 AI (als first electrically insulating material) beschrieben, ausgebildet sein. Die zweite Polymer-Teilkomponente kann ebenfalls, wie in WO 2014/188190 AI (als second electrically insulating material) beschreiben, ausgebildet sein.

Die Polymerstruktur bzw. die Polymerstrukturen können durch mindestens eine Metallstruktur, vorzugsweise ein (insbesondere gebogenes) Metallblech, vorzugsweise Kupferblech, und/oder Metallstreifen und/oder Metalldraht und/oder Metallgitter (elektrisch) kontaktiert sein (bzw. werden).

Alternativ oder zusätzlich kann die Metallstruktur (bzw. entsprechende

Elektroden), z. B. auf das Substrat und/oder die Polymerbeschichtung,

aufgedruckt werden (und/oder durch Aufdampfen, Abscheiden und7oder

Beschichten aufgebracht werden).

Die Polymerstruktur bzw. die Polymerstrukturen und/oder ein entsprechender auszuformender Stoff (z. B. Paste) zu deren Herstellung kann/können (als insbesondere kristallines Bindemittel) mindestens ein Polymer umfassen, vorzugsweise basierend auf mindestens einem Olefin; und/oder mindestens einem Copolymer von mindestens einem Olefin und mindestens einem Monomer, das damit copolymerisiert werden kann, z. B. Ethylen/Acrylsäure und/oder

Ethylen/Ethylacrylat und/oder Ethylen/Vinylacetat; und/oder mindestens einem Polyalkenamer (Polyacetylen bzw. Polyalkenylen), wie z. B. Polyoctenamer; und/oder mindestens einem, insbesondere schmelzverformbaren, Fluorpolymer, wie z. B. Polyvinylidenfluorid und/oder Copolymere davon.

Im Allgemeinen kann die Polymerstruktur bzw. eine zur Herstellung der

Polymerstruktur verwendeter Stoff (Paste), wie in DE 689 23 455 T2 beschrieben, ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere auch für deren Herstellung und/oder konkrete Zusammensetzung . Beispielsweise gilt dies auch für mögliche

Bindemittel (insbesondere gemäß S. 4, 2. Absatz und S. 5, 1. Absatz der

DE 689 23 455 T2) und/oder Lösungsmittel (insbesondere gemäß S. 5, 2. Absatz und S. 6 2. Absatz der DE 689 23 455 T2).

Bei der Polymerstruktur handelt es sich vorzugsweise um einen PTC-Widerstand . Dadurch kann eine Selbstregelung der Temperatur ermöglicht werden, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere die Sicherheit beim Betrieb erhöht.

Durch entsprechende Wahl der Geometrie der Polymerstruktur (des

Polymerkörpers) speziell im Hinblick auf die Fluidkanäle (Öffnungen) für das zu erwärmende Fluid, kann eine hohe Bauteil-Oberfläche realisiert werden, die aufgrund eines guten konvektiven Wärmeübergangs eine hohe Heizleistung bei geringem Bauraum ermöglicht.

Ebenso kann durch eine entsprechende Geometrie bzw. Oberfläche von

metallischen Anschlusselementen (Anschlussleitungen) der elektrische Widerstand beim Übergang in die Polymerstruktur (bzw. ein Polymermaterial der

Polymerstruktur) minimiert werden und die Gefahr einer Verschlechterung des Kontakts über die Lebensdauer reduziert werden.

Zur Verbesserung eines Kontakts zwischen Polymerstruktur und elektrischen Anschlusselementen können die letzteren (z. B. durch Sandstrahlen) aufgeraut werden und/oder es können Löcher und/oder Hinterschnitte in das (jeweilige) Anschlusselement eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich können

Drahtgewebe-, -gestricke und/oder -gewirke als Anschlusselemente vorgesehen werden. Die Polymerstruktur kann ggf. nicht nur die Aufgabe eines Heizleiters erfüllen, sondern als (integrales) Bauteil gleichzeitig weitere Funktionen ermöglichen, insbesondere einen Rahmen oder Anschlussflächen für das Heizgerät ausbilden.

Insgesamt kann eine einfache, kostengünstige Herstellung durch wenige (auf einfache Art und Weise automatisierbare) Prozessschritte und mit

kostengünstigen Materialien realisiert werden. Bei geringem Bauraum-Bedarf ist eine hohe Heizleistung möglich. Das zu erwärmende Fluid erfährt insbesondere einen nur vergleichsweise geringen Druckverlust. Weiterhin kann eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion, insbesondere bezüglich der

Abmessungen, Versorgungsspannungen und geometrischen Abmessungen, erzielt werden.

Das Fluidheizgerät, insbesondere Flüssigkeits- oder Luftheizgerät ist vorzugsweise für einen Betrieb im Niedervoltbereich (z. B. < 100 Volt oder < 60 Volt) ausgelegt.

Das Heizgerät kann für den Betrieb mit Wechsel- oder Gleichstrom ausgebildet sein. Eine pulsweitenmodulierte Versorgung ist möglich.

Unter einem elektrisch isolierenden Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, das bei Raumtemperatur (25 °C) eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10 ^"1 S ¹ irr ¹ (ggf. weniger als 10 ^"8 S ¹ m ^"1 ) aufweist. Entsprechend ist unter einem elektrischen Leiter bzw. einem Material (oder Beschichtung) mit elektrischer Leitfähigkeit ein Material zu verstehen, das eine elektrische

Leitfähigkeit von vorzugsweise mindestens 10 S ¹ irr ¹ , weiter vorzugsweise mindestens 10 ³ S ¹ irr ¹ (bei Raumtemperatur von insbesondere 25 °C) beträgt.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der beigefügten Figuren näher erläutert wird. Hierbei zeigen :

Fig. 1 eine schematische Frontansicht eines erfindungsgemäßen

elektrischen Luftheizgerätes; Fig. 2 eine Seitenansicht des Luftheizgerätes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Heizgerätes gemäß Fig. 1; und

Fig. 4 eine weitere Schnittansicht des Luftheizgerätes gemäß Fig. 1.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Frontansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Luftheizgerätes. Das Luftheizgerät weist eine Polymerstruktur 10 sowie

elektrische Kontakte 11 und 12 auf. Die Polymerstruktur 10 weist eine Vielzahl von Fluidkanälen 13 auf, die hier (optional) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Fluidkanäle 13 sind in mehreren Zeilen und Spalten (regelmäßig) angeordnet (was nicht zwingend ist).

In den Schnittansichten gemäß Fig. 3 und 4 sind elektrische Anschlusselemente 14, 14a (z. B. Anschlussleisten bzw. Blech-Streifen) vorgesehen, die in der Polymerstruktur 10 eingebettet sind (siehe auch Fig. 4). Die Anschlusselemente 14a verbinden die Anschlusselemente 14 mit den Kontakten 11, 12.

Der Luftstrom ist durch den Pfeil 15 in Fig. 2 und 4 schematisch skizziert.

Wie weiter in Fig. 3 erkennbar, werden die elektrischen Anschlusselemente 14 (Anschlussleisten) miteinander verbunden, so dass ein elektrischer Anschluss gewährleistet ist (über die elektrischen Kontakte 11, 12).

Bei der Polymerstruktur 10 handelt es sich um eine Polymerstruktur auf Basis von Polymer mit einem Kohlenstoffanteil. Die Polymerstruktur weist ein PTC-Verhalten auf.

Die elektrischen Anschlusselemente 14 sind vorzugsweise aus Metall. Die elektrische Versorgung kann insbesondere über Gleichstrom erfolgen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den

Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

Bezugszeichenliste

10 Polymerstruktur

11 elektrischer Kontakt

12 elektrischer Kontakt

13 Fluidkanal

14 elektrisches Anschlusselement

15 Pfeil